ดิน

ดิน

การเรียกชื่อดิน แบ่งเป็น 3 หัวข้อใหญ่ ๆได้ดังนี้

1. การเรียกชื่อของขนาดของเม็ดดินและส่วนผสมของเม็ดดิน
2. การบรรยายลักษณะ สี และรูปร่างและโครงสร้างของมวลดิน
3. การหาความแน่นตัวของมวลดินหรือสภาพ (Consistency) ของมวลดินในสนาม

ขนาดของเม็ดดิน เม็ดดินถูกเรียกชื่อตามขนาดเป็นดินเม็ดหยาบ ซึ่งขนาด ของเม็ดดิน สามารถ มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ซึ่งถ้าร่อนผ่าน ตะแกรง จะค้างบนตะแกรงเบอร์ 200 (ขนาดรู ตะแกรง 0.064 มม.) ซึ่งเป็นขนาดที่แบ่งระหว่างทรายละเอียด กับดินตะกอน
ขนาดของดินเม็ด ยังแบ่งย่อยออกไปอีก ตามขนาดของดินที่ค้างบนตะแกรงเบอร์ต่าง ๆ ดังนี้

จะสังเกตุเห็นว่า ขนาดของดินเม็ดละเอียดไม่สามารถแยกเป็นดินตะกอน หรือดินเหนียว ได้ด้วยตาเปล่า จำเป็นต้องมีการทดสอบ คุณสมบัติแบบง่าย ๆ เพิ่มเติมเ พื่อแยกดิน ทั้งสองชนิดนี้
ส่วนผสมของดินขนาดต่าง ๆ ในสภาพธรรมชาติ จะมีเม็ดดินหลายขนาด รวมกันเป็นมวลดิน ดินที่มีส่วนผสม ของดินเม็ดหยาบมากกว่า 50 % ก็จะเรียกเป็น Coarse grained soil และถ้า ดินเม็ดละเอียด มีมากกว่า 50 % ก็จะเป็น Fine grainaed soil
นอกจากนี้ ยังต้องมีการบรรยาย รายละเอียดของส่วนผสม ของดินเม็ดหยาบ และดินเม็ดละเอียด เพิ่มเติม ในส่วนที่ไม่ได้กำหนดไว้ด้วย ซึ่งศัพท์ที่ใช้ในการบรรยายจะเป็นดังนี้

การบรรยายลักษณะของดินเม็ดหยาบ เมื่อสามารถแยกดิน ตามส่วนผสมของเม็ดดิน ออกเป็น ดินเม็ดหยาบ หรือดินเม็ดละเอียดแล้ว ดินเม็ดหยาบ จะถูกบรรยายลักษณะตามหัวข้อต่อไปนี้
1. สี ใช้สีที่สอดคล้องกับสีของดิน ในกรณีที่ดินมีสองสีหรือหลายสี ก็บรรยาย ตามส่วนผสม ของสีเหล่านั้น
2. เม็ดดิน บรรยายส่วนผสมของเม็ดดิน ในส่วนที่เป็นรายละเอียด ของดินเม็ดหยาบ
3. ส่วนคละของเม็ดดิน บรรยายการเรียงตัวของเม็ดดินขนาดต่าง ๆ โดยแบ่งเป็น Well graded หรือ Poorly graded
4. ใส่ Group symbol เพื่อจัดระบบดิน ตามระบบ Unified Soil Classification System. ตามตารางที่ 1
5. บรรยายควาามแน่นตัวของดินเม็ดหยาบตามค่า Standard Penetration Resistance ที่ทดสอบ จากการทำ Standard Penetration Test ในสนาม

การบรรยายลักษณะของดินเม็ดละเอียด ดินที่มีส่วนของเม็ดดิน ที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า เกิน 50 % จัดเป็นดินเม็ดละเอียด ซึ่งไม่สามารถแยกต่อไปได้ ว่าเป็นดินตะกอน Silt หรือดินเหนียว Clay ดังนั้น จึงต้องมีการทดสอบง่าย ๆ ในสนามเพื่อช่วยการแยก ชนิดของดินเม็ดละเอียด เพิ่มเติม

การทดสอบเพื่อแยกดินตะกอน และดินเหนียว นำดินเม็ดละเอียดมาคัดเอาเม็ดดิน ที่มีขนาด โตกว่า ตะแกรงเบอร์ 40 ออก แล้วนำมาปั้น เป็นก้อน 3 ก้อน ขนาดก้อนละประมาณ 12 มม. จากนั้นก็นำมาทดสอบดังนี้

1. การทดสอบ Dry strength นำดินมาผสมน้ำจนนุ่ม แล้วปั้นเป็นก้อนกลมขนาด 12 มม. นำไปผึ่งให้แห้งที่อุณหภูมิไม่เกิน 60 ํ C จากนั้นก็นำมาทดสอบ Dry strength โดยบีบด้วยนิ้ว แล้วบรรทีกค่าของ Dry strength ตามรายละเอียดข้างล่าง

2 การทดสอบ Dilatency นำก้อนดินขนาดประมาณ 12 มม. มาเติมน้ำให้ค่อนข้างเหลว แล้ววาง บนฝ่ามือ ปาดให้เรียบด้วยมีด จากนั้นก็เคาะทางแนวนอนกับมืออีกข้าง หลาย ๆครั้ง สังเกตุ การซึมออกมา ของน้ำในดิน จากนั้นก็บีบตัวอย่างดิน โดยกำมือ หรือใช้นิ้วบีบ ตัวอย่างดิน สังเกตุ การเปลี่ยนแปลงของน้ำตามผิวดิน บันทึกปฎิกริยาของน้ำเป็น None, Slow หรือ Rapid ตามรายละเอียดข้างล่าง

3. การทดสอบ Toughness นำดินมาคลึงเป็นเส้นยาวขนาด 1/8 นิ้ว ลักษณะเดียวกับ การทดสอบ Plastic Limit แล้วก็หัก ผสมใหม่แล้วคลึงเป็นเส้นอีก จนความชื้นของตัวอย่างดินใกล้เคียงค่า Plastic Limit .ให้สังเกตุแรงที่ใช้ ในการคลึง ปั้นดินในช่วงที่ใกล้ Plastic Limit บันทึกแรงคลึง หรือปั้น เป็น Low, medium หรือ High ตามรายละเอียดข้างล่าง 

เมื่อทดสอบแยกคุณสมบัต ิของดินเม็ดละเอียดตามข้างบนแล้ว ก็ให้บรรยาย ลักษณะของดิน ตามหัวข้อต่อไปนี้
1. แยกชนิดของดินเป็นดินตะกอนหรือดินเหนียว High หรือ Low Plasticity ตามระบบ USC ตามตารางที่ 1
2. สีของตัวอย่างดิน และส่วนผสมที่แปลกปลอมอื่น ๆ เช่น กลิ่น หรือส่วนผสม ของ อินทรีย์วัตถุ
3. ความชี้นของตัวอย่างดิน บรรยายเป็น Dry, moist และ Wet
4. Consistency ของดินเม็ดละเอียด ตามผลการทดสอบ ความแข็งแรงของดิน

การกำเนิดชั้นดิน

 3.1.1 ส่วนประกอบของดิน และวงจรของหิน

 ดินประกอบด้วยสินแร่ชนิดต่าง ๆ มากมาย ซึ่งพอจะแบ่งเป็นกลุ่มใหญ่ ๆ ได้แก่ กลุ่มซิลิเกต อลูมิเนต ออกไซด์ และ กลุ่ม คาร์บอร์เนต เนื่องจากคุณสมบัติบางอย่างของดินขึ้นอยู่กับ ขนาด รูปร่าง และส่วนผสมของสินแร่ในดิน ดังนั้นเพื่อให้เข้าใจคุณสมบัติเหล่านี้ดีขึ้น เราจึงจำเป็นต้องศึกษาที่มาของดิน และขบวนการก่อกำเนิดชั้นดิน

 ดินสลายตัวมาจากก้อนหิน ซึ่งเราสามารถแบ่งหินออกเป็น 3 กลุ่มใหญ่ คือ

• หินอัคนี (Igneous rock)
• หินตะกอน (Sedimentary rock)
• หินแปร (Meta- morphic rock)

 ในขบวนการสลายตัว หินทุกชนิดซึ่งอยู่ตามผิวโลก สัมผัสกับชั้นบรรยากาศ ทำให้เกิดการผุกร่อน (Weathering) ขึ้น จากนั้นก็จะแตก สลายตัว โดนพัดพาไปตามที่ต่าง ๆ หรือ สลายตัวอยู่กับที่ กลายเป็นชั้นดินขึ้น และชั้นดินเหล่านี้อาจถูกอัดแน่นโดยขบวนการทางธรณี หรือเม็ดดินอาจมีการเกาะยึดกันแน่นโดยมีสารบางอย่างเป็นตัวช่วยยึด กลายเป็นหินตะกอน และหินตะกอนเหล่านี้อาจถูกแรงอัดหรือถูกความร้อนใต้ผิวโลก ทำให้แปรสภาพ ตกผลึกใหม่ กลายเป็นหินแปรขึ้น การเปลี่ยนแปลงทางธรณีอาจทำให้หินแปรถูกดันลงใต้ผิวโลก โดนความร้อนจนหลอมละลาย และถูกพ่นไหลขึ้นมาบนผิวโลกเป็นหินอัคนีใหม่อีก วงจรนี้จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเราเรียกว่า วงจรของหิน ตามรูปที่ 3.1

รูปที่3.1 : วงจรการก่อตัวของหินและดิน

การเรียกชื่อดินตามแหล่งกำเนิด

ดินซึ่งได้มาจากการผุพังของหิน จะมีชื่อเรียกต่าง ๆ กันตามแหล่งกำเนิดของดินหรือตามตัวแทนที่พัดพาดินไป ซึ่งถ้าดินนั้นสลายตัวและอยู่กับที่ไม่โดนพัดพาไปไหนเราเรียกดินชนิดนั้นว่า Residual soils ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษคือ ดินที่ผิวดินจะมีขนาดเล็กและขนาดของเม็ดดินจะเพิ่มตามความลึก ล่างลงไปก็จะเป็นชั้นหินก้อนซึ่งมีรูปร่างเป็นเหลี่ยม (Angular)
สำหรับดินที่ถูกพัดพาไป ชื่อของดินเหล่านี้จะเรียกตามตัวการที่พัดพาและตามแหล่งที่ตกตะกอน ตามรูปที่ 3.3 ซึ่งชื่อเหล่านี้ได้แก่
ก. Glacial soils ดินที่ถูกพัดพาและตกตะกอนโดยลำธารน้ำแข็ง (Glacier)
ข. Alluvial soils ถูกพัดพาโดยกระแสน้ำ และตกตะกอนในลำน้ำ
ค. Lacustrine soils ถูกพัดพาโดยลำน้ำ ตกตะกอนในทะเลสาป
ง. Marine soils ถูกพัดพาโดยลำน้ำ ตกตะกอนในทะเล
จ. Aeolean soils ถูกพัดพาโดยลม ทับถมกันบนบก
ฉ. Colluvial soils เคลื่อนที่ต่ำโดยแรงโน้มถ่วงและรวมกันที่ตีนเขา เช่นดินจากการถล่มของภูเขา
ช. ดินลูกรัง (Lateritic soils หรือ Laterite) ดินลูกรังเป็นดินชนิด Residual soil ซึ่งเกิดขึ้นในบริเวณเขตร้อน เนื่องจากการเกิดขบวนการผุกร่อน ทางเคมีอย่างรุนแรง ลักษณะของดินลูกรังคือ เป็นดินที่จับตัวกันเป็นก้อนสีน้ำตาลแดง เมื่อขุดขึ้นมาใหม่ ๆ จะอ่อนตัว สามรถตัดเป็นแท่งได้ และเมื่อทิ้งไว้จะแข็งเป็นก้อน ซึ่งในสมัยโบราณ เรียกดินชนิดนี้ว่า ศิลาแลง และได้ใช้ในการก่อสร้างโบราณสถานต่าง ๆ มากมาย

รูปที่ 3.3 : แผนผังแสดงชื่อของดินที่กำเนิดจากแหล่งต่าง ๆ

 ลักษณะสำคัญของดินลูกรังประกอบด้วย
1. บริเวณที่เกิดจะต้องเป็นเขตร้อน มีฝนตกชุก ซึ่งอาจจะเป็นในปัจจุบันหรือในอดีต
2. จะเกิดจากการสลายตัวของหินต้นตระกูลในบริเวณนั้น
3. หินต้นตระกูลจะเป็นหินอัคนี
4. ในขบวนการเกิดดินลูกรัง น้าฝนผสมก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งมีสภาพเป็นกรดอ่อน ๆ จะชะซิลิกาออก เหลือแต่สารประกอบของเหล็กและอลูมิเนียม ดังนั้นดินลูกรังจะมี อัตราส่วนของ SiO2 ต่อ Al2O3 ต่ำกว่าดินชนิดอื่น

โดยทั่วไปดินลูกรัง จะเป็นดินชนิดเม็ดหยาบ และมี Gap grading โดยเม็ดดินขนาดดินตะกอน จะขาดหายไป และแม้จะเป็นดินเม็ดหยาบ แต่ก็จะมีค่า Plasticity index สูง ซึ่งอาจทำให้มีอัตรา การไหลซึมของน้ำต่ำ นอกจากนี้ดินเม็ดใหญ่ ส่วนใหญ่มักจะมีรูพรุน ซึ่งเมื่อนำมาบดอัดในห้องทดลอง เม็ดดินเหล่านี้จะแตกตัว ทำให้ Curve การกระจายตัวของเม็ดดินเปลี่ยนแปลงไปหลังการบดอัด ดังนั้นใน การทดสอบการบดอัดของดินลูกรัง ควรใช้ตัวอย่างดินใหม่ทุกครั้งที่มีการบดอัด นอกจากนี้คุณสมบัติในการแข็งตัว เมื่อทิ้งไว้ในอากาศ ทำให้ค่าพิกัดพลาสติกของดินที่ตากแห้ง แตกต่างจากดินที่ยังชื้นอยู่ การทดสอบตัวย่างดินลูกรังจึงไม่ควรนำตัวอย่างดินมาอบแห้งก่อนการทดสอบ

ปัญหาที่สำคัญอย่างหนึ่งของการศึกษาคุณสมบัติของดินลูกรัง ก็คือชื่อดินลูกรังเป็นชื่อที่ใช้เรียกดินที่มีสีน้ำตาลแดง ซึ่งมีอยู่ทั่วไปในเขตร้อน โดยดินเหล่านี้มีส่วนผสม และคุณสมบัติแตกต่างกันมาก การจะทำการวิเคราะห์หาอัตราส่วนของ SiO2 และ Al2O3 ก็กระทำได้ลำบาก ยังไม่มีหลักเกณฑ์ หรือวิธีการแบ่งแยกดินลูกรังโดยการทดสอบวิธีอื่น ๆ ที่เหมาะสม ที่จะกำหนดว่า ดินชนิดไหนเป็น ดินลูกรังที่แท้จริง ทำให้คุณสมบัติของดินลูกรังที่ปรากฏในบทความต่าง ๆ มีความแตกต่างกันมาก และปัญหาที่โต้แย้งกันตั้งแต่เริ่มต้น ก็คือ ดินที่เรียกดินลูกรังในบทความเหล่านั้น จะใช่ดินลูกรังจริงหรือไม่

การแบ่งชนิดของดินตามการใช้งานทางด้านวิศวกรรม การแบ่งในกลุ่มนี้มีหลายระบบ ที่สำคัญได้แก่ ระบบของ ASSHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) เพื่อใช้ในงานก่อสร้างถนน ระบบของของ FAA (Federal Aviation Association) ใช้ในงานก่อสร้างสนามบิน และระบบ USC (Unified Soil Classification System) ซึ่งใช้ในงานวิศวกรรมทั่วไป

 1. ระบบแบ่งดินของ ASSHTO ใช้ในการแบ่งชนิดของดินที่เหมาะสมในงาน Sub grade หรือ Sub base ของดิน เริ่มใช้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1929 และได้มีการปรับปรุงแก้ไขเรื่อยมา ในระบบนี้ดินถูกแบ่งออกเป็นกลุ่มใหญ่ ๆ 7 กลุ่ม คือ A-1 ถึง A-7 โดย A-1 เป็นดินที่ดีที่สุด ไปจนถึง A-7 ซึ่งเลวที่สุด ดินในกลุ่ม A-1 A-2 และ A-3 เป็นดินเม็ดหยาบ มีดินเม็ดละเอียดที่ผ่านตะแกรงเบอร์ 20 น้อยกว่า 35% ส่วนดินชนิด A-4 ถึง A-7 เป็นดินซึ่งมีเม็ดละเอียดปนอยู่มาก การแบ่งกลุ่มดินแบ่งตามหลักเกณฑ์ดังนี้

 ก. ขนาดเม็ดดิน แบ่งเป็น กรวด ทราย ดินตะกอนและดินเหนียว ตามหลักเกณฑ์ต่อไปนี้
กรวด - ผ่านตะแกรงขนาด 75 มม. และค้างบนตะแกรงเบอร์ 10 (2 มม.)
ทราย - ผ่านตะแกรงเบอร์ 10 ค้างบนตะแกรงเบอร์ 200 (0.075 มม.)
ดินตะกอนและดินเหนียว - ผ่านตะแกรงเบอร์ 200

 ข. ความเป็นพลาสติก ( Plasticity)
Silty ใช้กับดินที่เม็ดละเอียด (ผ่านตะแกรงเบอร์ 40) มีค่า PI ไม่เกิน 10
Clayey ใช้กับดินที่เม็ดละเอียด (ผ่านตะแกรงเบอร์ 40) มีค่า PI เกิน 10

 ค. ถ้ามี Boulder (หินก้อนขนาดเกิน 75 มม.) จะถูกคัดออกก่อนทำการแบ่งกลุ่ม แต่เปอร์เซนต์ของหินก้อนจะต้องบันทึกไว้ด้วย

 ระบบ AASHTO ได้แสดงในตารางที่ 3.2

ตารางที่ 3.2 : การแบ่งกลุ่มดินตามระบบ AASHTO

 ในการประเมินคุณภาพของดินที่จะใช้เป็น Sub grade ของถนน ระบบ AASHTO ใช้เทอม Group Index (GI) ประเมินคุณสมบัติของดินจากสูตร

 GI = (F - 35) [0.2 + 0.005 (LL - 40) ] + 0.01(F - 15) (PI - 10) (3.1)

 เมื่อ F = เปอร์เซนต์ดินผ่านตะแกรงเบอร์ 200
LL = Liquid Limit
PI = Plasticity Index

 ค่า GI จะใช้ค่าเลขจำนวนเต็ม แต่ถ้าตัวเลขติดลบ ก็จะให้เท่ากับศูนย์ ในการคำนวณ GI ของดินกลุ่ม A-2-6 และ A-2-7 ให้ใช้สมการ (3.1) เฉพาะส่วนที่มีค่า PI เท่านั้น ค่า GI จะต้องใส่ไปในกลุ่มดินแต่ละชนิดด้วย เช่นดินชนิด A-7-6 มีค่า GI = 15 ก็เขียนเป็น A-7-6 (15) เป็นต้น ดินที่มีค่า GI สูงจะไม่เหมาะสมกับงานถนน ดินที่มี GI =0 จะเป็นดินที่เหมาะสำหรับทำ Subgrade และดินที่มี GI เกิน 20 จะไม่เหมาะสมสำหรับงานถนน

 2. ระบบของ FAA ระบบนี้คล้ายกับระบบของ AASHTO ดินจะถูกแบ่งออกเป็น 13 กลุ่ม E-1 ถึง E-13 ตามความเหมาะสมในการสร้างถนน ดินที่มีค่า E ต่ำจะเหมาะสมกว่าดินที่มีค่า E สูง วีธีการแบ่งกลุ่มดินก็คล้ายกับระบบของ AASHTO

 ทั้งระบบของ AASHTO และ ของ FAA ซึ่งใช้ในเขตหนาว จัดกลุ่มดินเม็ดละเอียดไม่เหมาะสมสำหรับงานถนน และลานบิน ทั้งนี้เพราะดินเหล่านี้มีช่องว่างระหว่างเม็ดดินเล็ก จึงมีแรงดูด Capillary สูง ในฤดูหนาว อุณหภูมิผิวดินต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง น้ำใกล้ผิวดินจะแข็งตัว และจะดูดน้ำข้างล่างขึ้นมาสะสมเป็นน้ำแข็ง ทำให้ผิวดินพองตัว เมื่อถึงฤดูในไม้ผลิ น้ำแข็งเหล่านี้จะละลาย ทำให้ผิวดินอ่อน ไม่สามารถรับน้ำหนักรถ หรือเครื่องบินได้ ในเขตร้อน ซึ่งอุณหภูมิไม่ลดต่ำถึงจุดเยือกแข็ง ปัญหานี้จึงไม่มี แต่อาจมีปัญหาอื่น ซึ่งไม่เหมือนในเขตหนาว ระบบของ AASHTO และของ FAA จึงไม่นิยมใช้ในเขตร้อน

 3. ระบบ USC ระบบ USC ได้ริเริ่มจากผลงานของ Cassagrande ในปี ค.ศ. 1942 เพื่อใช้ก่อสร้างสนามบินในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 และได้ถูกปรับปรุงให้ดีขึ้นในปี 1952 ระบบนี้ใช้กันแพร่หลายมากที่ทุด ดินในระบบนี้จะถูกแบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ

 ดินเม็ดหยาบ เป็นดินที่มีเม็ดดินผ่านตะแกรงเบอร์ 200 (0.74 มม.) น้อยกว่า 50% สัญลักษณ์ของดินในกลุ่มนี้จะเริ่มด้วย G (Gravel) หรือ S (Sand)

 ดินเม็ดละเอียด เป็นดินที่มีเม็ดดินผ่านตะแกรงเบอร์ 200 มากกว่า 50% สัญลักษณ์ของดินกลุ่มนี้เริ่มด้วย M (Silt) C (Clay) O (Organic silts) และ Pt (Peat ดินพรุ)

 สัญลักษณ์อื่นที่ใช้เรียกดินในกลุ่มนี้ประกอบด้วย
สำหรับ ดินเม็ดหยาบ ซึ่งคุณสมบัติถูกควบคุมด้วยขนาดของเม็ดดิน และการกระจายตัวของส่วนคละจะแบ่งเป็น

• Well graded (W) และ
• Poorly graded (P)

 และถ้ามี ดินเม็ดละเอียด ปนปนอยู่ด้วย ก็ใช้สัญลักษณ์

• C แทนดินเหนียว (Clay) และ
• M แทนดินตะกอน (Silt)

 ชื่อที่ใช้เรียกกลุ่มดินจะมี GW GP GM GC SW SP SM และ SC

 ซึ่งในการแบ่งกลุ่มนั้นจะต้องพิจารณารายละเอียดปลีกย่อยดังนี้
1. เปอร์เซนต์ผ่านเบอร์ 200
2. เปอร์เซนต์ดินเม็ดหยาบผ่านเบอร์ 4
3. ค่า Cu และ Cd ของดินที่ % ผ่านเบอร์ 200 น้อยกว่า 12%
4. LL และ PI ของดินผ่านตะแกรงเบอร์ 40
5. เมื่อดินผ่านตะแกรงเบอร์ 200 อยู่ระหว่าง 5 - 12% ใช้สัญลักษณ์คู่ เช่น GW-GM GP-GM GW-GC SW-SM SW-SC SP-SM และ SP -SC

 ส่วน ดินเม็ดละเอียด ซึ่งคุณสมบัติขึ้นอยู่กับแรงที่กระทำที่ผิวของวัสดุร่วมกับน้ำ และได้วัดด้วยพิกัดของอัตตาเบอร์ก ก็จะถูกแบ่งเป็น

• Low plasticity (L) เมื่อมีค่า พิกัดของเหลวน้อยกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ และ
• High plasticity (H) เมื่อมีค่าพิกัดปลาสติกมากกว่า 50 เปอร์เซ็นต